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Java 網(wǎng)絡(luò) IO 模型

Loong_T / 786人閱讀

摘要：有一個(gè)神奇的特性當(dāng)發(fā)起操作之后，線程不用等待讀取完畢，而是可以直接返回，繼續(xù)執(zhí)行其他操作。如果使用，一個(gè)線程可以同時(shí)發(fā)起多個(gè)操作，這就意味著，一個(gè)線程可以同時(shí)處理多個(gè)請(qǐng)求。

在進(jìn)入主題之前先看個(gè) Java 網(wǎng)絡(luò)編程的一個(gè)簡(jiǎn)單例子：代碼很簡(jiǎn)單，客戶(hù)端和服務(wù)端進(jìn)行通信，對(duì)于客戶(hù)端的每次輸入，服務(wù)端回復(fù) get。注意，服務(wù)端可以同時(shí)允許多個(gè)客戶(hù)端連接。

服務(wù)端端代碼：

// 創(chuàng)建服務(wù)端 socket
ServerSocket serverSocket = new ServerSocket(20000);
client = serverSocket.accept();

// 客戶(hù)端連接成功，輸出提示
System.out.println("客戶(hù)端連接成功");
// 啟動(dòng)一個(gè)新的線程處理客戶(hù)端請(qǐng)求
new Thread(new ServerThread(client)).start();


// 子線程中處理客戶(hù)端的輸入
class ServerThread implements Runnable {
    .....
    @Override
    public void run() {
        boolean flag = true;
        while (flag) {

            // 讀取客戶(hù)端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)
            String str = buf.readLine();
            
            // 回復(fù)給客戶(hù)端 get 表示收到數(shù)據(jù)
            out.println("get"); 
        }
    }
}

客戶(hù)端代碼 ：

Socket client = new Socket("127.0.0.1", 20000);
boolean flag = true;
while (flag) {
    
    // 讀取用戶(hù)從鍵盤(pán)的輸入
    String str = input.readLine();
    // 把用戶(hù)的輸入發(fā)送給服務(wù)端
    out.println(str);

    // 接受到服務(wù)端回傳的 get 字符串
    String echo = buf.readLine();
    System.out.println(echo);
    }
}

考慮到完整的 Java 示例代碼太過(guò)龐大影響閱讀，所以這里不完整貼出，如果需要在 github 直接下載，這里是下載地址。

可以看到，server 為了能夠同時(shí)處理多個(gè) client 的請(qǐng)求，需要為每個(gè) client 開(kāi)啟一個(gè) thread，這種 one-thread-per-client 的模式對(duì)于 server 而言壓力是很大的。假設(shè)有 1k 個(gè) client，對(duì)應(yīng)的 server 應(yīng)該啟動(dòng) 1k 個(gè) thread，那么 server 所耗費(fèi)的內(nèi)存，以及 thread 切換時(shí)候占用的時(shí)間等等都是致命傷。即使使用線程池的技術(shù)來(lái)限制線程個(gè)數(shù)，這種 blocking-IO 的模型還是沒(méi)辦法支撐大量連接。

每個(gè) client 都需要一個(gè) thread 來(lái)請(qǐng)求處理。

NIO

上面這種 one-thread-per-client 的模式無(wú)法支撐大量連接的主要原因在于 readLine 會(huì) 阻塞 IO，即在 readLine 沒(méi)能夠讀取到數(shù)據(jù)的時(shí)候，會(huì)一直阻塞線程，使得線程無(wú)法繼續(xù)執(zhí)行，那么 server 為了可以同時(shí)處理多個(gè) client，只能同時(shí)開(kāi)啟多個(gè)線程。

所以，Java 1.4 之后引入了一套 NIO 接口。NIO 中最主要的一個(gè)功能就是可以進(jìn)行非阻塞 IO 操作：如果沒(méi)能夠讀取到數(shù)據(jù)，非阻塞 IO 不會(huì)阻塞線程，而是直接返回 0。這種情況下，線程通過(guò)返回值判斷數(shù)據(jù)還沒(méi)有準(zhǔn)備好，就可以處理其他事情，而不會(huì)被阻塞。

上圖是阻塞 IO 和非阻塞 IO 的區(qū)別，可以看出雖然 非阻塞 IO 并不會(huì)被阻塞，但是它仍然不斷的調(diào)用函數(shù)檢查數(shù)據(jù)是否已經(jīng)可讀，這種現(xiàn)象在代碼中是以這種形式展現(xiàn)：

while((str = read()) == 0) {
   
}
 // 繼續(xù)讀取到數(shù)據(jù)之后的邏輯。

可以明白，雖然非阻塞 IO 不會(huì)阻塞線程，但是由于沒(méi)有數(shù)據(jù)可讀，線程也沒(méi)有辦法繼續(xù)執(zhí)行下面的邏輯，只能不斷的調(diào)用判斷，等待數(shù)據(jù)到來(lái)。這種情況下稱(chēng)為同步 IO。所以綜上，NIO 本質(zhì)上是一個(gè)非阻塞同步 IO。

IO 復(fù)用

由于 NIO 不會(huì)因?yàn)閿?shù)據(jù)還沒(méi)有到達(dá)而被阻塞，那么就沒(méi)有必要每一個(gè) client 都分配一個(gè) thread 不斷去輪詢(xún)判斷是否有數(shù)據(jù)可讀?？梢允褂靡粋€(gè) thread 監(jiān)聽(tīng)所有的 client 連接，由這個(gè) thread 循環(huán)判斷是否有某個(gè) client 的數(shù)據(jù)可讀，如果有就告知其他 thread 某個(gè) client 連接由數(shù)據(jù)可讀。這種行為就被稱(chēng)之為 IO 復(fù)用。 在 NIO 中提供了 Selector 類(lèi)來(lái)監(jiān)聽(tīng)所有 client 連接是否有數(shù)據(jù)可讀。

使用 Selector 來(lái)實(shí)現(xiàn) IO 復(fù)用，只有一個(gè) thread 需要關(guān)心數(shù)據(jù)是否到來(lái)，其他線程等待通知就好。如此一來(lái)，只有監(jiān)聽(tīng)線程會(huì)一直循環(huán)判斷，并不會(huì)占據(jù)太多 CPU 資源。提到 NIO 中的 Selector，不得不說(shuō)一下 Linux 編程中的 IO 復(fù)用，因?yàn)?NIO 中的 Selector 底層就是使用系統(tǒng)級(jí)的 IO 復(fù)用方案。

Linux 系統(tǒng)的 IO 復(fù)用實(shí)現(xiàn)方案有 2 種：

select

epoll

在 Linux 2.6+ 的版本上 NIO 底層使用的是 epoll，在 2.4.x 的版本使用的是 select 函數(shù)。epoll 函數(shù)在性能方面比 select 好很多，這里可以不關(guān)心 Linux 編程具體細(xì)節(jié)。值得一提的是，Java 的 netty 網(wǎng)絡(luò)框架底層就是使用 NIO 技術(shù)。

AIO

回顧一下 NIO 中：使用監(jiān)聽(tīng)線程調(diào)用 select 函數(shù)來(lái)監(jiān)聽(tīng)所有請(qǐng)求是否有數(shù)據(jù)到達(dá)，如果有數(shù)據(jù)則通知其他線程來(lái)讀取數(shù)據(jù)。這里在線程讀取數(shù)據(jù)的過(guò)程中，線程在數(shù)據(jù)沒(méi)有讀取完畢之前是處于阻塞狀態(tài)，只有數(shù)據(jù)讀取完畢之后線程才可以繼續(xù)執(zhí)行邏輯。之前說(shuō)過(guò)，這種稱(chēng)之為同步 IO。JDK 7 中新增了一套新接口 AIO(Asynchronous IO)。

AIO 有一個(gè)神奇的特性：當(dāng)發(fā)起 IO 操作之后，線程不用等待 IO 讀取完畢，而是可以直接返回，繼續(xù)執(zhí)行其他操作。等到數(shù)據(jù)讀取完畢之后，系統(tǒng)會(huì)通知線程數(shù)據(jù)已經(jīng)讀取完畢。這種發(fā)起 IO 操作，但是不必等待數(shù)據(jù)讀取完畢的 IO 操作稱(chēng)之為異步 IO。如果使用 AIO，一個(gè)線程可以同時(shí)發(fā)起多個(gè) IO 操作，這就意味著，一個(gè)線程可以同時(shí)處理多個(gè)請(qǐng)求。著名的 web 服務(wù)器 Nginx 就是用了異步 IO。關(guān)于更多的細(xì)節(jié)，可以參考下我的另一篇文章 End

到目前為止，文章解釋了阻塞/非阻塞 IO，同步/異步 IO 的區(qū)別，談起 IO 模型，不可避免會(huì)涉及 Linux 的 5 種 IO 模型

阻塞 IO

非阻塞 IO

IO 復(fù)用

信號(hào)驅(qū)動(dòng) IO

異步 IO

除去信號(hào)驅(qū)動(dòng) IO沒(méi)有提及，其他 4 種主要的 IO 模型都有所解釋?zhuān)斫饬诉@些 IO 模型的概念對(duì)于編寫(xiě)代碼有很大的幫助。

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